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1、计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理任课教师：荀启峰盐城师范学院 信息科学与技术学院Email:Tel:13921870511n教材n白白中中英英，计计算算机机组组成成原原理理网网络络版版，科科学学出出版版社，社，20022002n参考书n石石磊磊，计计算算机机组组成成原原理理第第2 2版版,清清华华大大学学出出版社，版社，20062006n钱钱晓晓捷捷，微微型型计计算算机机原原理理及及应应用用,清清华华大大学学出出版社，版社，20062006n王王爱爱英英,计计算算机机组组成成与与结结构构第第3 3版版,清清华华大大学学出版社，出版社，20012001n白白中中英英 邝邝坚坚，计计算算
2、机机组组织织与与结结构构网网络络版版，科学出版社，科学出版社，20032003一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）“计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。计算机组成原理是计算机教学中的一门核心课程，是学习计算机课程所要必修的主干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算期、控制器、存储器、输入输出设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势也有一个较为深入的了解。主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控
3、制器部件、存储器子系统、输入/输出子系统与输入/输出系统设备，围绕各自的功能、组成、设计、实现、使用等知识进行介绍；此外，该课程的工程性、实践性、技术性比较强，还强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通过作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加强这些方面的练习与锻炼。二、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求）二、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求）计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学生掌握计算机的组成和工作原理。通过学习，使学生了解计
4、算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实验和课程设计，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。三、课程与其他课程的联系与分工三、课程与其他课程的联系与分工先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计后续课：微型计算机系统与设计，关系密切的还有操作系统等课程。四、课程总学时中各环节的学时分配（讲授、实验、上机、实践等）四、课程总学时中各环节的学时分配（讲授、实验、上机、实践等）授课学时：64，实验学时：16教学大纲第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论第二章第二章 运算方法和运算器运算方法和运算器第三章第三章 存储系统存储系统第四章第四章 指令系统指令系统 第五章第五章 中
5、央处理器中央处理器 第六章第六章 总线系统总线系统 第七章第七章 外围设备外围设备 (自学自学)第八章第八章 输入输出系统输入输出系统目录系统结构基本概念第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论v1.概念v计算机（Computer）是一种以电子器件为基础的，不需人的直接干预，能够对各种数字化信息，进行算术和逻辑运算的快速工具。系统结构基本概念 （1）以电子器件为物质基础：电子数字计算机（DigitalComputer）（2）不需要人的直接干预：自动化（存储程序为基础）（3）数字化信息：二进制（计算机能够具有逻辑判断和处理能力的基础）（4）算逻运算：基本运算操作是算术和逻辑运算（5）快速工具：
6、（A）电子器件（B）存储程序2、层次：系统结构基本概念 （1 1）内部特征：）内部特征：（A）高速高集成度开关元件（B）数字化信息编码（C）逻辑判断和处理能力（D）存储程序（2 2）外部特征：）外部特征：（A）快速性（由（1）中（A）（D）决定）（B）准确性（由（1）中（B）（D）决定）（C）逻辑性（由（1）中（A）（C）（D）决定）（D）通用性（由（1）中（A）（B）（C）（D）决定）3、特征：系统结构基本概念1.1.1 计算机的分类计算机的分类 计算机从总体上来说分为两大类:模拟计算机和数字计算机。各自主要特点各自主要特点：模模拟拟计计算算机机由由模模拟拟运运算算器器件件构构成成，其其变变
7、量量由由连连续续量量（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的数数字字计计算算机机则则是是由由逻逻辑辑电电子子器器件件构构成成，其其变变量量为为开开关关量量（离离散散的的数数字字量量），采采用用数数字字式式按按位位运运算算，运运算算模式是离散式的。模式是离散式的。系统结构基本概念数字计算机与模拟计算计的主要区别比较内容数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0和1电压、电流等计算方式数字计算电量组合和测量值控制方式程序控制模拟信号组合控制精度、抗干扰性高、好低、差数据存储量大小、几乎无逻辑判断能力强无系统结构基本概念通用计算机类别通用计算机类别系统
8、结构基本概念v巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机，它们的结构规模和性能指标依次递减。v随着超大规模集成电路的迅速发展,今天的小型机可能是明天的微型机,而今天的微型机可能是明天的单片机。系统结构基本概念1.1.2 1.1.2 计算机的应用计算机的应用 计算机之所以迅速发展,其生命力在于它的广泛应用并协助人类取得了辉煌的成就。计算机的应用范围几乎涉及人类社会的所有领域。本书归纳成六个主要方面来叙述：v科学计算v自动控制和测量 v信息处理v教育和卫生 v家用电器 v人工智能1.2.1 计算机的硬件系统组成计算机的硬件系统组成运运 算算 器器控控 制制 器器主存储器主存储器输入设备输入设备
9、输出设备输出设备总总线线 和和 输输入入输输出出接接口口高速缓存高速缓存虚拟存储器虚拟存储器(磁盘设备磁盘设备)（第二章第二章）（第五章第五章）（第第三三章章）（第六章第六章）（第第七七、八八章章）中央处理单元中央处理单元CPU系统结构基本概念1.运算器v算术运算v逻辑运算v采用二进制数（容易实现）v位数越多，计算精度越高v计算机的运算器长度：8位、16位、32位或64位系统结构基本概念2.存储器v功能：保存或“记忆”数据和运算过程v存储的是0或1表示的二进制代码v主存采用半导体器件来作为存储器v一个半导体触发器记忆一个二进制位v存储单元：在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器，组成一个存
10、储单元v存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，称为地址v存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KB、MB、GB”等表示v内存储器（主存）和外存储器(辅存）系统结构基本概念表示参加运算的数据表示参加运算的数据从存储器的哪个单元取从存储器的哪个单元取运算的结果应存到哪个单元运算的结果应存到哪个单元3.控制器v控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作v指令有两部分：操作的性质和操作的地址操作码地址码指出指令所进行的操作指出指令所进行的操作加、减、乘、除、取数、存数等加、减、乘、除、取数、存数等指令操作码加法减法乘法除法取数存数打印停机001010011100101110
11、111000系统结构基本概念电子计算机的设计思想电子计算机的设计思想v存储程序，程序控制存储程序，程序控制v“存储程序存储程序”，是把，是把指令指令以代码的形式事先以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同的同 一装置存储执行运算的命令，这些指令一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成按一定的规则组成程序。程序。v“程序控制程序控制”，是当计算机启动后，程序就，是当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务。自动完成预定的信息处理任务。v冯冯诺依曼型计
12、算机的设计思想：诺依曼型计算机的设计思想：存储程序并按地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行系统结构基本概念v冯冯诺依曼计算机的基本思想诺依曼计算机的基本思想v采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成；地址码组成；v将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是这就是“存储程序存储程序”和和“程序控制程序控制”（简称存储程（简称存储程序控制）的概念；序控制）的概念；v指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存
13、储器中指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。v计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设备五大基本部件组成，规定了备五大基本部件组成，规定了5 5部分的基本功能部分的基本功能系统结构基本概念控制器的基本任务v按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令，依次类推v取指令的一段时间叫做取指周期v执行指令的一段时间叫做执
14、行周期v执行完成指令的时间，称为指令周期系统结构基本概念指令字和数据字，指令流和数据流 v某字为一条指令，则称为指令字v某字代表要处理的数据，称为数据字v在取指周期中从内存读出的信息是指令流，它流向控制器v而执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器v时间上：在取指周期中，CPU从内存读出的信息一定是指令；而执行周期中从内存读出或写入的信息一定是数据。v空间上：指令一定流向控制器；而数据则是在内存（或寄存器）与运算器之间流动系统结构基本概念适配器与输入输出设备v输入设备把人们所熟悉的某种形式的信息变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式v输出设备把计算机处理的结果变换为人或其
15、它机器所能接收和识别的信息形式vI/O设备通常统称为外围设备v适配器(I/O接口)相当与一个转换器,它可以保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接受信息v系统总线构成计算机系统的信息链接,是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路系统结构基本概念 1.2.2数字计算机的发展史v世界上第一台电子数字计算机世界上第一台电子数字计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）诞生于诞生于1946年年2月月15日，是美国宾日，是美国宾夕法尼亚大学摩尔理工学院的摩切利和埃卡特发夕法尼亚大学摩尔理工学院的摩切利和埃卡特发明的。计算机的发展大致经
16、历了五代的变化：明的。计算机的发展大致经历了五代的变化：1.1946年开始，第一代电子管计算机年开始，第一代电子管计算机2.1958年开始，第二代晶体管计算机年开始，第二代晶体管计算机 3.1965年开始，第三代中小规模集成电路计算机年开始，第三代中小规模集成电路计算机 4.1971年开始，第四代大规模集成电路计算机年开始，第四代大规模集成电路计算机 5.1986年开始，第五代巨大规模集成电路计算机年开始，第五代巨大规模集成电路计算机 系统结构基本概念类型时期主要器件重 要 特 征第1代1946-1958电子管机器语言，汇编语言。速度低，体积大，价格昂贵，可靠性差，用于科学计算。速度达几千次到
17、几万次第2代1958-1964晶体管算法语言，操作系统。体积缩小，可靠性提高。从科学计算到数据处理。每秒几万次到几十万次第3代1964-1971中小规模集成电路体积小，可靠性大大提高，速度达几百万次，软件技术和外设发展迅速应用领域不断扩大。第4代1971-1986大/超大规模集成电路速度提高至几千万亿次出现微型计算机第5代1986-巨大规模集成电路速度提高至几亿次乃至上百亿次。出现单片机计算机的发展史系统结构基本概念 第一台电子计算机（第一台电子计算机（ENIACENIAC）5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170M218,800只电子管只电子管1500个继电器个继电器耗电耗电
18、150KW计算机发展史计算机发展史系统结构基本概念Top500(2006)IBM Blue GenTop500(2006)IBM Blue Gene e计算机发展史计算机发展史系统结构基本概念Top500(2006.0Top500(2006.06 6)计算机发展史计算机发展史系统结构基本概念摩尔定律v早早在在19641964年年，英英特特尔尔公公司司创创始始人人戈戈登登.摩摩尔尔（Gordon Gordon MooreMoore）在在一一篇篇很很短短的的论论文文里里断断言言：每每1818个个月月，集集成成电电路路的的性性能能将将提提高高一一倍倍，而而其其价价格格将将降降低低一一半半。这这就就是
19、是著著名名的的摩摩尔尔定定律律。作作为为迄迄今今为为止止半半导导体体发发展展史史上上意意义义最最深深远远的的定定律律，摩摩尔尔定定律律被被集集成成电电路路近近4040年年的的发发展展历历史准确无误地验证着史准确无误地验证着计算机组成原理计算机组成原理29什么是微型计算机l微型计算机（微型计算机（MicrocomputerMicrocomputer）采用微处理器为核心构造的计算机采用微处理器为核心构造的计算机l微处理器（微处理器（MicroprocessorMicroprocessor）一块大规模集成电路芯片一块大规模集成电路芯片微型机的运算和控制核心微型机的运算和控制核心中央处理单元（中央处理
20、单元（CPUCPU：Central Processing UnitCentral Processing Unit）l相对来说，微机性能、价格、体积较小相对来说，微机性能、价格、体积较小工作学习中使用的个人微机工作学习中使用的个人微机生产生活中运用的各种智能化电子设备生产生活中运用的各种智能化电子设备计算机组成原理计算机组成原理30微处理器的基本性能指标l字长字长微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数例如一次进行运算、传输的位数例如一次进行运算、传输的位数l时钟频率时钟频率微处理器的处理速度微处理器的处理速度反映微处理器的基本时间单位反映微处理器的基本时
21、间单位l集成度集成度表明微处理器的生产工艺水平表明微处理器的生产工艺水平常用芯片上集成的晶体管数量来表达常用芯片上集成的晶体管数量来表达计算机组成原理计算机组成原理31通用微处理器l4 4位微处理器位微处理器19711971年，年，Intel 4004Intel 4004，第一个微处理器，第一个微处理器l8 8位微处理器位微处理器M6800M6800、Z80Z80和和Intel 8080/8085Intel 8080/8085AppleApple公司苹果机公司苹果机l1616位微处理器位微处理器Intel 8086/8088 Intel 8086/8088 1616位个人计算机（位个人计算机（
22、PCPC：Personal ComputerPersonal Computer）l3232位微处理器位微处理器8038680386，8048680486，PentiumPentiumPentium 4Pentium 43232位位PCPC机，机，APPLEAPPLE公司的公司的MacintoshMacintosh机机l6464位微处理器位微处理器计算机组成原理计算机组成原理32专用微处理器 l单片机（微控制器，嵌入式控制器，单片机（微控制器，嵌入式控制器，MCUMCU）IntelIntel的的MCS-48MCS-48，MCS-51MCS-51，MCS-96/98MCS-96/98系列系列爱爱特
23、特梅梅尔尔（AtmlAtml）公公司司的的AT89AT89系系列列（与与MCS-51MCS-51兼兼容容），AT91AT91系列（基于系列（基于ARMARM内核）内核）Microchip TechnologyMicrochip Technology公司的公司的PICPIC系列系列l数字信号处理器（数字信号处理器（DSPDSP）专注于数字信号的高速处理专注于数字信号的高速处理美国德州仪器美国德州仪器TITI公司公司TMS320TMS320各代产品各代产品主要应用于通信、消费类电子产品和计算机主要应用于通信、消费类电子产品和计算机l主要应用形式：嵌入式系统主要应用形式：嵌入式系统IPIP级结构，芯
24、片级结构，模块级结构级结构，芯片级结构，模块级结构计算机组成原理计算机组成原理338086l1616位结构的微处理器：数据总线为位结构的微处理器：数据总线为1616位位l主存容量主存容量1MB1MB：地址总线为：地址总线为2020位位l时钟频率时钟频率5MHz5MHz（IBM PCIBM PC使用使用4.77MHz4.77MHz）l准准1616位微处理器位微处理器80888088：外部数据总线为：外部数据总线为8 8位位lIBM PCIBM PC和和PC/XTPC/XT机使用机使用Intel 8088 CPUIntel 8088 CPUl处理器总线（处理器总线（BusBus）微处理器的对外引脚
25、（微处理器的对外引脚（PinPin）数据、地址和控制三组信号数据、地址和控制三组信号电源和地线电源和地线计算机组成原理计算机组成原理34处理器总线l数据总线（数据总线（DBDB：Data BusData Bus）处理器与存储器或外设交换信息的通道处理器与存储器或外设交换信息的通道个数（条数）是一次能够传送数据的二进制位数个数（条数）是一次能够传送数据的二进制位数 l地址总线（地址总线（ABAB：Address BusAddress Bus）指定存储器或外设的具体单元指定存储器或外设的具体单元个数反映访问的主存储器容量或外设范围个数反映访问的主存储器容量或外设范围l控制总线（控制总线（CBCB：
26、Control BusControl Bus）控制处理器数据传送等操作控制处理器数据传送等操作一个信号两种状态（高或低）两种编码（一个信号两种状态（高或低）两种编码（1或或0）N：2N计算机组成原理计算机组成原理3580286l1616位数据总线，位数据总线，2424位地址总线（位地址总线（16MB16MB主存）主存）l实方式（实方式（Real ModeReal Mode）与与80868086工作方式一样工作方式一样l保护方式（保护方式（Protected ModeProtected Mode）提供存储管理、保护机制和多任务管理的硬件支持提供存储管理、保护机制和多任务管理的硬件支持lIBM P
27、C/ATIBM PC/AT机使用机使用Intel 80286 CPUIntel 80286 CPU1KB210 B1024 B1MB220 B1024 KB1GB230 B1024 MB20：22024：22432：232计算机组成原理计算机组成原理3680386l3232位结构位结构数据总线数据总线3232位，地址总线位，地址总线3232位，可寻址位，可寻址4GB4GB主存主存l虚拟虚拟80868086方式方式（Virtual 8086 ModeVirtual 8086 Mode）保护方式下的保护方式下的80868086工作方式工作方式l系统管理方式（系统管理方式（System Manage
28、ment ModeSystem Management Mode）低功耗节能状态低功耗节能状态英特尔英特尔32位结构：位结构：IA-32（Intel Architecture-32）IA-32微处理器：微处理器：80386，80486，Pentium系列系列计算机组成原理计算机组成原理3780486l8048680486803868038680387803878KB Cache8KB Cachel浮点处理单元浮点处理单元FPUFPU8086/80888086/8088：80878087，8028680286：8028780287，8038680386：8038780387l高速缓冲存储器高速缓冲
29、存储器CacheCache微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器用于提高整个存储器系统的存取速度用于提高整个存储器系统的存取速度l复复杂杂指指令令集集计计算算机机CISCCISC融融合合精精简简指指令令集集计计算算机机RISCRISC的技术特点，例如：指令流水线的技术特点，例如：指令流水线指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行多条指令可以在不同的执行阶段同时进行多条指令可以在不同的执行阶段同时进行计算机组成原理计算机组成原理38Pentiuml俗称的俗称的8058680586微处理器，奔腾微处理
30、器微处理器，奔腾微处理器l3232位结构，连接主存的外部数据总线却是位结构，连接主存的外部数据总线却是6464位位l超标量（超标量（SuperscalarSuperscalar）技术）技术具具有有可可以以并并行行工工作作的的2 2条条整整数数处处理理流流水水线线，可可以以达达到每个时钟周期执行到每个时钟周期执行2 2条指令条指令l双路高速缓冲结构双路高速缓冲结构8KB8KB代码高速缓冲存储器代码高速缓冲存储器8KB8KB数据高速缓冲存储器数据高速缓冲存储器计算机组成原理计算机组成原理39Pentium Prol原称原称P6P6，中文名称为，中文名称为“高能奔腾高能奔腾”l两个芯片组成两个芯片组
31、成CPUCPU一级（一级（L1L1）CacheCache（8KB8KB代码和代码和8KB8KB数据）数据）二级（二级（L2L2）CacheCache（256KB256KB或或512KB512KB）l扩展的超标量技术扩展的超标量技术1212级指令流水线级指令流水线能同时执行能同时执行3 3条指令条指令l动态执行技术动态执行技术分支预测、数据流分析和推测执行分支预测、数据流分析和推测执行计算机组成原理计算机组成原理40Pentium IIl多媒体扩展指令（多媒体扩展指令（MMXMMX指令）指令）MMXMMX（MutliMedia eXtensionMutliMedia eXtension）整数运算
32、多媒体指令整数运算多媒体指令对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化提升微机对多媒体的处理能力提升微机对多媒体的处理能力lPentium Pentium MMXMMX（多多能能奔奔腾腾）：MMXMMX指指令令应应用用于于PentiumPentium处理器处理器lPentium IIPentium II：MMXMMX指令应用于指令应用于Pentium ProPentium Pro计算机组成原理计算机组成原理41Pentium IIIl数据流数据流SIMDSIMD扩展指令（扩展指令（SSESSE指令）指令）SSESSE（Streaming SIMD Ex
33、tensionsStreaming SIMD Extensions）浮点单精度多媒体运算指令浮点单精度多媒体运算指令提高浮点提高浮点3D3D数据的处理能力。数据的处理能力。SSESSE指令类似于指令类似于AMDAMD公司发布的公司发布的3D Now!3D Now!指令指令lPentium IIIPentium III：SSESSE指令应用于指令应用于Pentium II Pentium II l单指令多数据单指令多数据SIMDSIMDSingle Instruction Multiple DataSingle Instruction Multiple Data表示一条指令具有同时处理多组数据的
34、能力表示一条指令具有同时处理多组数据的能力计算机组成原理计算机组成原理42Pentium 4lNetBurstNetBurst的微结构（的微结构（MicroarchitectureMicroarchitecture）指令级并行指令级并行ILPILP（Instruction-Level ParallelInstruction-Level Parallel）进一步发掘指令之间可以同时执行的能力进一步发掘指令之间可以同时执行的能力l超线程超线程HTHT（Hyper ThreadingHyper Threading）线程级并行线程级并行TLPTLP（Thread-Level ParallelThrea
35、d-Level Parallel）发掘程序中的并行性发掘程序中的并行性一个物理处理器形成两个逻辑处理器一个物理处理器形成两个逻辑处理器lSSE2SSE2指令指令增强浮点双精度多媒体运算能力增强浮点双精度多媒体运算能力lSSE3SSE3指令指令增强和完善增强和完善MMXMMX，SSESSE和和SSE2SSE2指令指令计算机组成原理计算机组成原理43Intel 80 x86微处理器lCeleronCeleron（赛扬）微处理器（赛扬）微处理器面向低端（低价位）面向低端（低价位）PCPC机机lXeonXeon（至强）微处理器（至强）微处理器面向高端服务器、工作站面向高端服务器、工作站lAMDAMD微
36、处理器微处理器AMDAMD公司生产的公司生产的IA-32IA-32微处理器兼容芯片微处理器兼容芯片IntelIntel公司最主要的竞争对手公司最主要的竞争对手l双核微处理器双核微处理器单芯片多处理器单芯片多处理器SMPSMP技术技术IntelIntel的的Pentium DPentium D：单芯片双：单芯片双Pentium 4Pentium 4核心核心l6464位微处理器位微处理器AMDAMD的的K8K8核心：兼容核心：兼容IA-32IA-32的的6464位微处理器位微处理器IntelIntel的的EM64TEM64T（扩展（扩展6464位技术）：位技术）：IA-32IA-32的的6464位
37、扩展位扩展计算机组成原理计算机组成原理44微型计算机结构1.1.微处理器微处理器2.2.存储器存储器3.I/O3.I/O接口和接口和I/OI/O设备设备4.4.系统总线系统总线控制总线控制总线CB数据总线数据总线DB地址总线地址总线AB微微处处理理器器I/O设备设备I/O接口接口存储器存储器系统总线系统总线BUS计算机组成原理计算机组成原理45微处理器l微机的核心、控制中心，中央处理器微机的核心、控制中心，中央处理器CPUCPUl大规模集成电路大规模集成电路VLSIVLSI芯片，集成芯片，集成控制器控制器运算器（整数运算器）运算器（整数运算器）寄存器（高速存储单元）寄存器（高速存储单元）l高性
38、能微处理器内部还有高性能微处理器内部还有浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元存储管理单元、代码保护机制存储管理单元、代码保护机制CacheCache计算机组成原理计算机组成原理46存储器l存储器（存储器（MemoryMemory）是存放程序和数据的部件）是存放程序和数据的部件l高性能微机的存储系统高性能微机的存储系统微处理器内部的寄存器（微处理器内部的寄存器（RegisterRegister）高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（CacheCache）主板上的主存储器主板上的主存储器以外设形式出现的辅助存储器以外设形式出现的辅助存储器l主存储器（主存、内存）主存储器（
39、主存、内存）半导体存储器芯片组成半导体存储器芯片组成RAMRAM部分断电后信息丢失部分断电后信息丢失相对造价高、速度快、但容量小相对造价高、速度快、但容量小l辅助存储器（简称辅存或外存）辅助存储器（简称辅存或外存）磁盘、光盘存储器等构成磁盘、光盘存储器等构成相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢RAM和和ROM计算机组成原理计算机组成原理47I/O接口和I/O设备lI/OI/O设备（设备（PeripheralPeripheral）：用户与微机交互）：用户与微机交互输入（输入（InputInput）设备，如标准输入设备：键盘）设备，如标准输入设备
40、：键盘输出（输出（OutputOutput）设备，如标准输出设备：显示器）设备，如标准输出设备：显示器lI/OI/O接口（接口（InterfaceInterface）：外设和主机间的桥梁）：外设和主机间的桥梁完成信号变换、数据缓冲、联络控制等工作完成信号变换、数据缓冲、联络控制等工作较简单的较简单的I/OI/O接口电路与主板一体接口电路与主板一体较较复复杂杂的的I/OI/O接接口口电电路路制制成成独独立立的的电电路路板板（接接口口卡卡CardCard）计算机组成原理计算机组成原理48系统总线l总线（总线（BusBus）：传递信息的一组公用导线、信息通道）：传递信息的一组公用导线、信息通道l系系
41、统统总总线线（System System BusBus）：微微机机系系统统中中信信息息交交换换的的主主要公共通道要公共通道l地址总线：单向输出主存单元或地址总线：单向输出主存单元或I/OI/O端口的地址信息端口的地址信息l数数据据总总线线：读读（ReadRead）操操作作数数据据输输入入微微处处理理器器；写写（WriteWrite）操作数据输出到外界（主存或外设）操作数据输出到外界（主存或外设）l控控制制总总线线：有有些些控控制制信信号号或或状状态态信信号号输输出出；有有些些请请求求或联络信号输入或联络信号输入l微微机机系系统统采采用用总总线线结结构构，总总线线连连接接使使得得微微机机组组合合
42、灵灵活活、扩展方便扩展方便计算机组成原理计算机组成原理49个人微机l8 8位时代：位时代：Apple-IIApple-II机，中华学习机机，中华学习机l1616位时代：位时代：IBM PCIBM PC系列机系列机19811981年，年，IBM PCIBM PC机：机：Intel 8088Intel 8088，DOSDOS19821982年，年，IBM PC/XTIBM PC/XT（Expanded TechnologyExpanded Technology）19841984年，年，IBM PC/ATIBM PC/AT（Advanced TechnologyAdvanced Technology
43、）IBM PC/XT/ATIBM PC/XT/AT机的兼容微机机的兼容微机l3232位时代：位时代：3232位位PCPC机机IA-32IA-32或其兼容微处理器或其兼容微处理器WindowsWindows或或LinuxLinuxl6464位时代：位时代：系统结构基本概念v计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。都是由元件构成的有形物体，因而称为硬件或硬设备。硬件是计算机系统中实际物理装置的总称v计算程序，因为它是无形的东西，称为软件或软设备。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档v硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件
44、与硬件的结合，构成完整的计算机系统计算机系统计算机系统硬件硬件系统系统软件软件系统系统系统结构基本概念计算机软件程序数据文档计算机软件程序数据文档软件分类软件分类操作系统操作系统 语言处理程序语言处理程序服务性程序服务性程序应用软件应用软件办公软件包办公软件包数据库管理系统数据库管理系统浏览器浏览器实时控制软件实时控制软件诊断、排错程序诊断、排错程序反病毒程序反病毒程序备份程序备份程序文件压缩程序文件压缩程序卸载程序卸载程序图形图像处理软件图形图像处理软件其它应用软件其它应用软件系统软件系统软件系统结构基本概念目的程序目的程序v早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以“识别”并
45、能执行，所以又叫做目的程序v用机器语言编写程序很繁琐，又耗费大量的人力和时间，容易出错，出错后寻找错误也相当费事，大大限制了计算机的使用系统结构基本概念汇编程序汇编程序v为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率，人们发明了汇编语言v借助于汇编程序，计算机本身自动地把符号语言表示的程序（称为汇编源程序）翻译成用机器语言表示的目的程序用约定的文字、符号和数字（用约定的文字、符号和数字（助记符助记符）按规定按规定 的格式来表示各种不同的指令的格式来表示各种不同的指令系统结构基本概念高级语言v为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，人们又创造了各种接近于数
46、学语言的算法语言（高级程序设计语言）v算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则。比较接近数学语言，直观通用，与具体机器无关，只要稍加学习就能掌握，便于推广使用计算机系统结构基本概念编译程序编译程序v用程序设计语言编写的程序称为源程序，这种源程序不能由机器直接识别和执行，必须给计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的“翻译”，才能把源程序翻译为机器语言v通常采用下面两种方法：编译系统：用编译程序将源程序编译成机器语言形式的目的程序，然后在目标系统运行解释系统：逐个解释并立即执行源程序的语句，它不是编出目的程序后再执行，而是直接逐一解释语句并得出计算结果系统结构基
47、本概念计算机的层次结构用用 户户 级级高高 级级 语语 言言 级级汇汇 编编 语语 言言 级级系系 统统 软软 件件 级级 机机 器器 级级控控 制制 级级数数 字字 逻逻 辑辑 级级 应用软件应用软件 系统软件系统软件 软硬件界面软硬件界面物理机物理机虚拟机虚拟机硬件硬件固件固件硬件直接执行硬件直接执行Level0(门电路、电子线路门电路、电子线路)Level1(微程序或硬布线微程序或硬布线)Level2(指令集结构指令集结构ISA)Level3(操作系统、库代码操作系统、库代码)Level4(汇编语言代码汇编语言代码)Level5(C+，Java，等，等)Level6(可执行程序可执行程序
48、)系统结构基本概念软硬件界面（Interface）assemblercomplierOperatingSystemlibraryISAS/WH/WApplicationS/W：Software软件H/W：Hardware硬件ISA：InstructionSetArchitecture指令集结构系统结构基本概念软件与硬件的逻辑等价性v随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了v任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成v对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期
49、等软件的特点软件的特点 易于实现各种逻辑和运算功能，但是常易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约；受到速度指标和软件容量的制约；硬件的特点硬件的特点 可以高速实现逻辑和运算功能，但是难可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。系统结构基本概念系统结构、组成与实现v计算机系统结构计算机系统结构(Computer architecture）计算机系统的软件与硬件的界面指令系统计算机系统的软件与硬件的界面指令系统程序员所看到的计算机属性外特性程序员所看到的计算机属性外特性 v计算机组成计算
50、机组成(Computer organization）组织）组织计算机系统结构的逻辑实现计算机系统结构的逻辑实现v计算机实现计算机实现(Computer implementation）计算机组成的物理实现计算机组成的物理实现v计计算算机机系系统统的的结结构构，组组成成，实实现现是是三三个个完完全全不不同同的的概概念念，相相互互间间有有着着十十分分密密切切的的依依赖赖关关系系和和相相互互的的影影响响。广广义义的的计计算算机机系系统统结结构构即即包包括括经经典典的的指指令集结构，也包括计算机组成和实现技术的研究令集结构，也包括计算机组成和实现技术的研究系统结构基本概念结构、组成和实现v一种体系结构可